加州理工學院開發(fā)新興高精度金屬3D打印技術：基于水凝膠注入的光固化成型

2022年10月28日,，南極熊獲悉，來自加州理工學院Kavli 納米科學研究所的Julia Greer教授和Greer團隊開發(fā)一種新的高精度金屬3D打印技術,，該技術是基于水凝膠注入的成型技術,，可用于成型特征尺寸在100微米左右的多種精細金屬部件。

相關研究成果以題為 "Additive manufacturing ofmicro-architected metals via hydrogel infusion/通過水凝膠灌注的微架構金屬的增材制造 "的論文被發(fā)表在《自然》雜志上,，作者為Max A Saccone和Rebecca A Gallivan,。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05433-2

長期以來，Greer團隊致力于分層,、納米,、電池和其他新材料，以及3D打印的工藝,。水凝膠衍生材料也是該團隊多年來一直在探索的一個新領域,。

△JuliaR. Greer教授

用水凝膠3D打印金屬零件

總體而言，水凝膠的3D打印多是使用大桶光聚合工藝生產結構,。然后這些結構被填充上金屬或陶瓷前體,，再通過反應變成最終的金屬部件。此前,，Greer團隊已經在金屬氧化物（即氧化鋅）,，以及制造電極方面進行了研究,。一般來講，研究人員成型部件往往會使用一些非常富有成效的光聚合工藝,，如：數(shù)字光處理（DLP）,、立體光刻（SLA）和使用標準打印機和材料的掩膜SLA（mSLA）,。

該團隊仍是基于大桶光聚合技術（主要是DLP）來3D打印水凝膠,，然后用金屬前驅體填充結構，并對其進行燒結,，經過這個熱過程就會產生金屬部件,。該團隊表示，它已經制成了尺寸約為40微米的物體,，具有非常高的硬度,。此外，研究人員認為,，材料可以被調整,，甚至可以制成多邊零件。

研究人員用于測試的3D打印晶格結構是用50微米左右的光斑固化制成的,，生成部件是特征尺寸為100微米的硬部件,。研究人員用鎳、銀和銅以及鎢鈮進行了研究,，鎢鈮是一種難以成型的難熔金屬組合,。他們還能夠混合多種材料，如銅和鈷,。這項工作的一個獨特之處在于,，從水凝膠步驟開始，可以在不同的區(qū)域放入不同的金屬鹽,，然后可以同時進行燒結,。一個奇怪的細節(jié)是，硬度似乎比預期的高47%至15%,，這可能是有待進一步開發(fā)的東西,。一般來說，需要控制燒結過程,，這對許多幾何形狀的工業(yè)化來說,，可能是一個有點挑戰(zhàn)的問題。收縮率約為60%,，這也會限制幾何形狀和工藝控制,。

小零件的間接金屬3D打印

這項間接金屬3D打印技術通過使用標準的化學藥品，不需要新的機器或設置,，而且成本很低,。這可能導致這它會快速在客戶方得到應用,，因為他們擁有必要的設備和部分工藝的知識，像Arkema或Stratasys的這樣的材料廠商也會大力支持這種工藝的進一步推廣,，很多方面可以聯(lián)合起來促進其產業(yè)化,。此外，通過使用大桶光聚合,，他們可以在生產精確,、微小的細節(jié)和特征方面搭上這項技術的“便車”。由此產生的零件是小而精確的,，也許對于創(chuàng)建微通道網(wǎng)格構件來說,，這種技術確實可以成為一種性價比非常高的選擇。

與這項技術相似的工作還包括直寫式3D打印和雙光子光聚合法,。這項技術被應用的另一種結果是大桶光聚合的部件被碳化,，成為良好的導體。從整體上看,，這里與硬度,、耐火材料和薄梁晶格構件有關的細節(jié)可能是獨一無二的。

現(xiàn)在,，還有其他與之相似的技術存在,。例如HoloAM、MetShape,、Incus和Lithoz使用一種被稱為"漿料SLA"的光固化技術,，在這種情況下，樹脂被預先添加了金屬顆粒,，再使用大桶光聚合系統(tǒng)進行打印,。然后對零件進行脫模和燒結。當然,，這需要許多步驟,，而且漿料SLA的零件尺寸不大。燒結也會暴露出收縮的問題,。然而,，對于某些幾何形狀，漿料SLA可以制造出具有很好的內表面紋理的詳細零件（因為樹脂是支撐物,，可以清洗掉）,。對于稍大的部件，還有粘結劑噴射方法可以選擇,，這本身就可以是一種高產和廉價的技術,。人們還可以考慮失蠟鑄造和大桶光聚合。對于微小的零件，人們可能不會考慮材料擠壓或粉末床熔融,。但是,，有一些微型加工和打印技術在這里可能具有競爭力。

所有這些技術都在爭奪一個潛在的非常有競爭力的空間,，其中數(shù)十億優(yōu)化的亞厘米到亞微米的元件可以在制造,、電子、醫(yī)藥和工業(yè)用途中發(fā)揮作用,。攻克這一難題的公司所能達到的產量可能是驚人的,。類似MOSFET的設備、散熱器,、電子元件,、天線,、電池,、傳感器和更多，都可能產生數(shù)百萬甚至數(shù)十億的零件需求,。

要做到這一點,，就必須有人能夠以合適的價格，以合適的規(guī)格制造合適的幾何形狀,。與其他技術相比,，矩陣式結構、過濾器,、TPMS場,、網(wǎng)狀物和柔性電池等應用可能最好用這種技術3D打印。一個小而強的晶格將是這項技術的一個很好的應用,。當然,，現(xiàn)在，它需要首先進行工業(yè)化,，并需要新的設備,。這仍然是非常早期的事情，但可能是一個非常富有成效的方法,。